基于數(shù)據(jù)鏈的陸航作戰(zhàn)指揮控制新模式＊

夏白樺 賀品瑜，3 蘇澤友 葉永安

（1.國防信息學院 武漢 430010）（2.73141部隊 泉州 362000）（3.71687部隊 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

距離地面300m以下的空間被稱為超低空，又有“第五空間”的別稱[1]。在“第五空間”，受制于地形地物，現(xiàn)有制導兵器很難充分發(fā)揮其威力，防空雷達也無法進行有效的探測，目前尚是導彈、雷達等武器的盲區(qū)，陸航直升機可充分地利用這一盲區(qū)隱蔽待命或隱蔽機動，從而避開雷達的探測，避免遭敵方攔截。但實際上，要力爭做到不被發(fā)現(xiàn)，直升機還必須保持無線電靜默，只接收來自數(shù)據(jù)鏈的戰(zhàn)場態(tài)勢信息和指令等，甚至不報告自身的狀態(tài)、定位和識別信息。直升機不主動發(fā)布定位和識別信息，就會產生一系列新問題：1）態(tài)勢信息不完整。這時，在統(tǒng)一的戰(zhàn)場態(tài)勢圖上將缺少直升機編隊的信息，網內其它作戰(zhàn)平臺無法掌握直升機編隊的實時情況；2）難以完成作戰(zhàn)任務的有效分配和適時調整。由于陸航指揮所不能準確獲取各直升機的位置，也就不能依據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢的發(fā)展變化，對作戰(zhàn)任務進行靈活的調整，以便命令空間位置最合適的直升機執(zhí)行相應的作戰(zhàn)行動；3）戰(zhàn)術協(xié)同難度加大。編隊內各直升機間、不同編隊的直升機間，甚至是地面部隊與編隊直升機間，由于不了解直升機的確切位置，可能無法達成戰(zhàn)術協(xié)同；4）網內成員識別困難。友鄰部隊沒有直升機的位置信息和網內成員識別信息，有可能將其誤判為敵機，從而造成誤傷。如何做到既能隱蔽機動，又能使各作戰(zhàn)單元時刻掌握直升機的位置并正確識別，是現(xiàn)代直升機作戰(zhàn)面臨的一個新問題。本文將提出一種新的指揮控制方式，以圖解決上述問題。

2 陸航指揮控制新模式

數(shù)據(jù)鏈的運用，改變了傳統(tǒng)的指揮控制方式，實現(xiàn)了指揮所對空中作戰(zhàn)編隊的自動化指揮[2～3]。通過數(shù)據(jù)鏈，陸航（地面或空中）指揮所可對各直升機的火控系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等進行自動控制，包括引導直升機飛行（機動）、指示并控制瞄準目標、計算攻擊時機并控制導彈預熱等。通常情況下，在指揮所對作戰(zhàn)飛機引導的過程中，由作戰(zhàn)飛機周期性地報告狀態(tài)、定位和網內成員識別信息。當直升機處于無線電靜默而不能報告這些消息時，可對報告責任主體作調整。在此提出由陸航指揮所報告直升機定位信息的新的指揮控制模式，即：

陸航指揮所根據(jù)作戰(zhàn)任務，預先或實時地規(guī)劃出直升機編隊的飛行路徑，并通過數(shù)據(jù)鏈網絡向直升機發(fā)布飛行指令。直升機則在陸航指揮所的指令下，嚴格地按時間節(jié)點要求在指定時刻到達指定位置，以及在指定的地點變換飛行方向。陸航指揮所的指令，就是直升機嚴格執(zhí)行的飛行命令。只要直升機實際到達的位置與指令中明確的位置相比較誤差不大，對網絡內其它參與平臺而言，這種指令即是直升機的定位信息，可用于對直升機準確定位。

陸航指揮所的飛行指令明確了直升機相應時刻要到達的位置，所以，規(guī)劃的直升機飛行路徑應該是一系列直線段構成的折線，直升機沿直線飛行，在兩條直線段交點處轉彎。在飛行過程中，直升機需要利用機載衛(wèi)星導航儀不斷測定自身的位置坐標，同時不斷計算到達指定位置的剩余飛行時間和飛行距離，調整飛行速度大小和方向，修正位置誤差。實際上，直升機的飛行路徑很難保持為直線，每一時刻也難以準確地到達指令所明確的位置，尤其是在轉彎處，彎度帶來的定位誤差比較大。所以，在僅考慮二維情況下，直升機實際的飛行路徑可看作是具有一定寬度的“路徑帶”。

指揮所負責直升機的飛行路徑規(guī)劃，可采用“預先規(guī)劃”與“臨機規(guī)劃”相結合的方式進行。所謂“預先規(guī)劃”，指在各直升機執(zhí)行任務前，指揮所根據(jù)所獲取的地理信息、敵防空火力、雷達網分布及作戰(zhàn)任務，預先規(guī)劃出飛行路徑；所謂“臨機規(guī)劃”，指在直升機執(zhí)行任務過程中，指揮所還可根據(jù)實時戰(zhàn)場態(tài)勢信息及作戰(zhàn)任務變更情況，及時調整路徑。路徑規(guī)劃中，要分析各種約束條件，如任務約束和直升機性能約束等[4]。針對新指揮控制方式，還需要考慮路徑與直升機定位誤差間的關系。一條合適的路徑不僅能避開敵人的防空雷達和防空火力區(qū)域[5]，并以最短的時間完成任務，也能有效地降低直升機飛行中的定位誤差。下面將從降低定位誤差的角度計算路徑帶。

3 路徑帶的估算

3.1 定位誤差產生原因

定位誤差主要是由直升機轉彎產生的位置偏移、衛(wèi)星定位精度、地形地物的起伏、風向和風速的變化、飛行員的駕駛技術等因素引起。直升機轉彎時的實際飛行路線為弧線，路線長度發(fā)生了變化；衛(wèi)星定位精度帶來的誤差是確定的，與用戶的級別有關[6]，這里假定為10m；規(guī)避地形地物同樣改變了實際的飛行線路，但該因素在路徑規(guī)劃時需要作精細的考慮，以避免影響定位精度，當然，也可通過飛行員即時調整飛行速度加以彌補。風向和風速對直升機飛行的推動作用，需要通過飛行員的控制，盡量減小其對定位精度的影響；飛行員的駕駛技術高超，定位精度的控制就會較好，且飛行員駕駛直升機的水平是可以通過訓練不斷提高的。對于訓練有素的直升機飛行員，由駕駛水平帶來的位置偏移會控制在一個較小的范圍內。

即使在現(xiàn)行的平臺定位報告方式中，誤差也是不可避免的[7]。如果由直升機自己報告定位與識別信息，經過一定的時間延遲后到達接收者。接收者據(jù)此推算該信息發(fā)送后各個時刻直升機的位置，所得結果與實際情況也會有出入。原因就在于信息傳送過程中，直升機會因為風速和風向的變化、駕駛過程中的操作、地形地物的變化等問題，而無法到達理論推算的位置。所以，路徑帶的計算將只考慮直升機轉彎和衛(wèi)星定位精度的影響。

3.2 路徑帶直線段長度估算

從經驗上理解，直升機沿直線飛行階段定位誤差是最小的。規(guī)劃的直線段越長，直升機飛行時的橫向和縱向偏移將會越小，直升機駕駛員也越容易通過速度的調整，降低偏移量。反之，直線段越短，直升機將頻繁轉彎，由此帶來的偏移則越大，且頻繁的轉彎也不利于偏移的修正，嚴重時甚至會有較大的偏移積累。因此，直線段長度應盡可能的長。但是，為便于數(shù)據(jù)鏈網絡參與平臺根據(jù)監(jiān)測到的直升機位置變化與從陸航指揮所指令中得到的位置比對，進行準確的敵我識別（若監(jiān)測到直升機位置落在路徑帶內，且實際的路徑與指令給出的路徑變化規(guī)律相同，則視為我方成員），直線段長度不可以太長；另外，直線段短，方便避開不利地形地物及敵防空炮火和雷達覆蓋區(qū)，減小規(guī)劃的難度。由于直升機在“第五空間”機動，接收指令難度大，因此，在兼顧定位誤差、敵我識別和規(guī)劃難度條件下，最重要的應該是飛行指令的正確接收。

陸航指揮所向直升機發(fā)布的飛行指令應包含線段的起點、終點和到達這兩個點的時刻。兩個點確定后，即確定了一條飛行直線段，若再給出下一個時刻應到達的位置，則既確定了下一條飛行直線段，也相應地給出了轉彎角度。在圖1中是規(guī)劃的直升機飛行直線段，其中A、B、C、D點是直升機在某些時刻應到達的位置，并在這些位置開始轉彎，θ即為轉彎角度。

圖1 直升機飛行路徑帶示意圖

陸航指揮所發(fā)布指令必須有一定的時間提前量，該提前量至少等于數(shù)據(jù)鏈網絡的系統(tǒng)響應時間T響。如指揮所命令直升機在C點轉彎沿飛行，最遲也要在直升機到達C點之前的T響時該發(fā)出到達C點和D點的指令，以免數(shù)據(jù)鏈本身可能產生的時延影響指令的到達。

陸航指揮所向直升機發(fā)布的飛行指令必須可靠地接收，否則即使指令下達了也不能被執(zhí)行，所以，每一指令都必須多次發(fā)送。假定指令能被正確接收的概率為P單次，發(fā)送n次能被正確接收的概率為P，則有：

給定P和P單次值，可計算出n。當消息更新率為T更新時，則直升機在折線段上的飛行時間應為

若已知直升機的飛行速度、P單次和P，就可計算出直線段的最小長度。假定P單次為70%，T更新＝T響＝10s[8]。以美軍 RAH－66“科曼奇”為例[11]，其最大巡航速度為252km／h。若要求P達到97%，計算得到n＝3，直線段的最小長度為2230m；若要求P達到99%，則n＝4，直線段的最小長度2800m。

3.3 路徑寬度的估算

直升機在直線飛行階段的橫向偏移量比較小，且可通過飛行員的有效控制盡可能減小誤差。而直升機在轉彎階段的橫向偏移量則是其飛行階段的最大橫向偏移量。因此，只要估算出轉彎階段橫向偏移量，即可確定路徑帶寬度。

如圖1中，直升機在到達B點前沿直線飛行，到達B點后開始轉彎，轉彎角為θ，轉彎半徑為R為等效圓。飛行過程中，直升機到達B點后將沿著圓弧飛行，顯然此時已偏離了原定的航線到達E點后，直升機開始轉向直線此過程中，直升機一方面要盡快到達直線，同時還要使到達時的飛行方向與直線的夾角較小。這樣，可保證直升機在到達后，不至于又產生較大的轉彎角。這期間實際的飛行路線應為圖1所示的實線

E點是直升機轉彎時產生的最大位置偏移的大小即為規(guī)劃路徑帶的寬度。極端情況下，若轉彎角θ＝0°，也即直升機直線飛行階段時，轉彎引起的橫向偏移為0；轉彎角θ＝90°時，B點與M點重合，轉彎引起的橫向偏移為轉彎半徑R。故可知，轉彎時的橫向偏移量與轉彎角度有關，且隨著轉彎角度的增大而增加。因此，在路徑規(guī)劃設計時，除特殊情況需要轉急彎外，正常情況下應盡可能控制轉彎角度，以便于減小路徑帶寬度，提高定位精度。經分析得到：

圖2 轉彎引起的橫向偏移與轉彎角度θ的關系曲線

式（3）中，位置最大偏移量與半徑R成正比。在不降低飛行速度的情況下，可通過減小轉彎角度降低位置偏移量。假定RAH－66“科曼奇”轉彎半徑R＝300m，得到轉彎引起的橫向偏移與轉彎角θ之間的關系如圖2所示。

如果路徑規(guī)劃確定的直升機轉彎角為θ＝45°，由圖2可知，轉彎引起的橫向偏移為90m，加上衛(wèi)星定位精度引起的誤差，路徑帶寬度最大值為100m，也即直升機將在寬度為100m的路徑帶內飛行。當θ＝30°時，路徑帶的寬度為50m，比轉彎角度θ＝45°時的路徑帶寬度減小了一半。表明通過降低轉彎角，可有效地減小路徑帶寬度，降低定位誤差。

4 定位誤差的分析

4.1 橫向誤差分析

橫向誤差是指直升機在直線段橫向上的位置偏移。直升機飛行過程中產生的橫向誤差在不同階段是不相同，可分為兩個階段討論：1）轉彎階段的橫向誤差，2）直線飛行階段的橫向誤差。

1）在轉彎階段，由路徑帶寬度分析可知，轉彎引起的偏移是橫向誤差的最大貢獻者，其它原因導致的誤差相對較小。通過合理地設計規(guī)劃路徑，降低轉彎角度或通過降低飛行速度從而降低轉彎半徑，誤差可降低到只有幾十米。

2）在直線飛行階段，主要受到導航定位精度的誤差影響，橫向偏移通常較小，直升機飛行路徑與指揮所規(guī)劃的路徑吻合度相對比較高。

在直升機飛行過程中，雖然轉彎階段橫向誤差較大，但它僅占了整個飛行路線中較小的一部分。如圖1中，按直線段最小長度2230m，轉彎半徑300m分析，直升機在從B往C的飛行過程中，2／3的直線段上橫向誤差是很小的。

4.2 縱向誤差分析

縱向誤差表示直升機在直線段方向上的位置偏移。與橫向誤差類似，縱向誤差也通常包括轉彎階段的縱向誤差和直飛階段的縱向誤差，且縱向誤差的最大值也出現(xiàn)在轉彎階段。

轉彎階段產生縱向誤差的原因是直升機飛行路線變?yōu)榛【€，與直線相比有一定的路徑長度差。圖1中，設直升機轉彎階段飛行的實際路線與直線的路徑長度差為ΔS，有：

當轉彎半徑R＝300m時，由式（4）得ΔS與轉彎角θ之間的關系如圖3所示。

圖3 轉彎階段縱向誤差ΔS與轉彎角度θ關系曲線

直升機在轉彎過程中要多飛行ΔS的距離。如果直升機以最大巡航速度勻速飛行，會產生ΔS的縱向誤差。當θ＝45°時，轉彎帶來的縱向誤差為48m。再加上衛(wèi)星定位精度，可得縱向誤差最大值為58m。如果路徑規(guī)劃的更好，只需按θ＝30°的角度轉彎，則轉彎引起的縱向誤差可迅速降為14m，加上衛(wèi)星定位精度，誤差才24m。因此，在路徑規(guī)劃時，可以通過規(guī)劃相對較小的轉彎角度來減小因轉彎引起的縱向誤差。

直升機在轉彎過后，進入直飛階段，這時的定位誤差主要由衛(wèi)星定位精度引起。與橫向誤差相似，在每條直線段上，至少有2／3的長度上縱向誤差是很小的。

5 結語

論文針對陸航隱蔽機動無法提供定位及識別信息的問題，在基于運用數(shù)據(jù)鏈的基礎上提出了一種新的指揮控制方式，即由陸航指揮所周期性地發(fā)送直升機飛行路徑指令，直升機被動地接收并嚴格執(zhí)行，網內其它參與平臺將指令視作直升機定位信息的方式，實現(xiàn)直升機平臺定位信息的獲取。通過分析計算，確定了路徑帶寬度及最小直線段長度，以及它們與直升機定位精度的關系。進一步研究發(fā)現(xiàn)，盡管存在定位誤差，但最大誤差發(fā)生在直升機轉彎處，其大小可以預測，且可通過合理的路徑規(guī)劃有效地降低，如減小直升機的轉彎角度等。在直升機沿直線飛行路徑上的定位誤差則較小，主要由風速、風向及駕駛操作等隨機因素導致，即使是直升機自己報告的定位信息，這種誤差也是存在的。因此，只要把直升機的飛行路徑看作是一條路徑帶，就可以準確地將其定位。并且，網絡中各參與平臺通過比對路徑帶及直升機飛行的路徑變化規(guī)律，還可對其準確地識別。

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